CN104540968B - 启动一种熔炼工艺 - Google Patents

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Abstract

披露了一种启动用于熔炼含金属材料的基于熔浴的工艺的方法。该方法包括使用在熔炼容器的下部部分中的水冷的元件的热通量以提供在该启动方法的至少早期部分过程中熔浴温度的指示，并调节含氧气体和/或含碳材料向熔炼容器内的注入速率以控制在启动过程中的熔浴温度而没有超过临界热通量水平和使该启动方法中断。

Description

启动一种熔炼工艺
技术领域
本发明涉及一种启动用于熔炼含金属的材料的工艺的方法。
术语“含金属的材料”在此应理解为包括固体进料和熔融进料。该术语在其范围内还包括部分地还原的含金属的材料。
本发明更具体地，虽然决不排他地，涉及一种启动基于熔浴的熔炼工艺的方法，该熔炼工艺用于在具有由熔浴中的气体析出而产生的强浴/熔渣喷泉的熔炼容器中从含金属的进料生产熔融金属，其中气体析出至少部分地是含碳材料进入熔浴的脱挥发的结果。
本发明具体地，虽然决不排他地，涉及一种启动用于熔炼含铁材料，如铁矿石，并生产熔融铁的工艺的方法。
本发明具体地，虽然决不排他地，涉及一种在熔炼容器中启动熔炼工艺的方法，该熔炼容器包括一个用于熔炼含金属的材料的熔炼腔室。
背景技术
一种已知的基于熔浴的熔炼工艺通常被称为HIsmelt工艺，其以申请人的名义在相当多的专利和专利申请中进行了描述。
另一种基于熔浴的熔炼工艺在下文中被称为为“Hisarna”工艺。HIsarna工艺和设备以申请人的名义在国际申请PCT/AU99/00884(WO 00/022176)中进行了描述。
该HIsmelt和HIsarna工艺与由铁矿石或另一种含铁材料生产熔融铁特别相关联。
在生产熔融铁的背景下，该HIsmelt工艺包括以下步骤：
(a)在熔炼容器的熔炼腔室内形成熔融铁和熔渣的熔浴；
(b)向该熔浴中注入：(i)铁矿石，典型地处于细粉的形式；和(ii)一种固体含碳材料，典型地为煤，该固体含碳材料用作铁矿石进料的还原剂和能量的来源；以及
(c)在该熔浴中将铁矿石熔炼成铁。
术语“熔炼”在此理解为热处理，其中发生还原金属氧化物的化学反应以产生熔融金属。
在该HIsmelt工艺中，处于含金属的材料形式的固体进料和固体含碳材料用载气通过多个喷枪注入熔浴中，这些喷枪与竖直方向倾斜以便向下并向内延伸通过熔炼容器的侧壁并进入容器的下部区域，从而将固体进料的至少一部分递送到熔炼腔室底部的金属层中。固体进料和载气渗入熔浴并引起熔融金属和/或熔渣被投射到熔浴表面上方的空间内并形成过渡区。将一股含氧气体(典型地富氧空气或纯氧)通过向下延伸的喷枪注入容器的熔炼腔室的上部区域以引起从熔浴中释放的反应气体在容器的上部区域中的后燃烧。在过渡区中有适量的上升并随后下降的熔融金属和/或熔渣的熔滴或飞溅物或液流，它们提供了一种有效的介质以便将通过在熔浴之上后燃烧反应气体所生成的热能传给熔浴。
典型地，在生产熔融铁的情况下，当使用富氧空气时，它是在1200℃的量级的温度下进料并在热鼓风炉中生成。如果使用工业纯冷氧气，它典型地是在环境温度或接近环境温度下进料。
该熔炼容器中反应气体的后燃烧所产生的废气通过废气管从熔炼容器的上部区域排出。
该熔炼容器包括在下部炉缸中的耐火材料衬里的部分和在容器的侧壁和顶壁中的水冷板，并且水在连续的回路中连续循环通过这些板。
该HIsmelt工艺能够通过在单个紧凑容器中熔炼来生产大量的熔融铁，典型地至少0.5Mt/a。
该HIsarna工艺是在一种熔炼设备中进行的，该设备包括(a)一种熔炼容器，该熔炼容器包括一个熔炼腔室和用于将固体进料和含氧气体注入该熔炼腔室的多个喷枪并适配为容纳熔融金属和熔渣的熔浴，和(b)一种用于预处理含金属进料的熔炼旋流器，该熔炼旋流器被放置在该熔炼容器上方并与该熔炼容器直接连通。
术语“熔炼旋流器”在此理解为是指通常限定一个竖直的圆柱形腔室的容器并且该容器被构建为使得供给到该腔室的进料沿着围绕该腔室的竖直中心轴的一条路径移动，并且该容器能够承受足以至少部分熔化含金属进料的高操作温度。
在HIsarna工艺的一种形式中，将含碳进料(典型地为煤)和任选地助熔剂(典型地为煅烧石灰石)注入在熔炼容器的熔炼腔室中的熔浴中。提供含碳材料作为还原剂的来源和能量的来源。在熔炼旋流器中将含金属进料，如铁矿石，任选地与助熔剂共混，注入并加热并部分熔化并部分还原。此熔融的、部分还原的含金属材料从熔炼旋流器向下流动进入在熔炼容器中的熔浴中并在该熔浴中熔炼成熔融金属。在熔浴中产生的热的反应气体(典型地为CO、CO2、H2、以及H2O)由含氧气体(典型地为工业级氧气)在熔炼腔室的上部中部分燃烧。通过后燃烧产生的热量被传递到位于上部部分中的落回熔浴的熔融液滴以保持浴的温度。热的、部分燃烧的反应气体从熔炼腔室向上流动并进入熔炼旋流器的底部。将含氧气体(典型地为工业级氧气)经由鼓风口(tuyeres)注入熔炼旋流器中，这些鼓风口以这样一种方式安排，以在水平面中，即围绕熔炼旋流器的腔室的竖直中心轴，产生旋流式的漩涡图案。该含氧气体的注入引起熔炼容器气体的进一步燃烧，产生非常热的(旋流式的)火焰。进入的含金属进料，典型地处于细粉的形式，在熔炼旋流器中经由鼓风口气动地注入这些火焰中，导致快速的加热以及伴随有部分还原(大概10％-20％的还原)的部分熔化。还原是由于赤铁矿的热分解和来自熔炼腔室的反应气体中CO/H2的还原作用这两者。热的、部分熔融的含金属进料由于旋流式漩涡作用被向外抛出到熔炼旋流器的壁上并且，如上所述，向下流动进入下面的熔炼容器中用于在该容器的熔炼腔室中熔炼。
该HIsarna工艺的上述形式的净效果是一种两步逆流工艺。含金属进料通过从熔炼容器出来的反应气体(添加含氧气体)被加热并部分还原，并且向下流动进入熔炼容器并在熔炼容器的熔炼腔室中被熔炼为熔融铁。在一般意义上，这种逆流安排提高了生产率和能源效率。
HIsmelt和HIsarna工艺包括通过水冷固体喷枪将固体注入熔炼容器中的熔浴中。
此外，这两种工艺的一个重要特征是这些工艺在这样的熔炼容器中操作：这些熔炼容器包括一个用于熔炼含金属材料的熔炼腔室和一个经由前炉连接而连接到熔炼腔室的前炉，这允许从容器中流出连续的金属产品。前炉作为熔融金属填充的虹吸密封物操作，当进行生产时，从熔炼容器中自然地“溢出(spilling)”过量的熔融金属。这允许在该熔炼容器的熔炼腔室中的熔融金属液位是已知的并控制在一个小的公差内—这对于工厂安全是至关重要的。熔融金属液位必须(始终)保持在水冷的元件(如延伸进入熔炼腔室中的固体喷枪)之下一个安全距离，否则蒸汽爆炸变得可能。正是由于这个原因，该前炉被认为是用于HIsmelt和Hisarna工艺的熔炼容器的固有部分。
在此的术语“前炉”应理解为是指熔炼容器的一个腔室，该腔室向大气敞开并经由一个通道(在此被称为“前炉连接”)连接至该熔炼容器的熔炼腔室并且，在标准操作条件下，在该腔室中含有熔融金属，其中该前炉连接用熔融金属完全填充。
对于HIsmelt和Hisarna工艺两者，在熔炼容器中的正常启动包括以下步骤：
1.预热(标称为空的)熔炼容器(包括前炉腔室和前炉连接)的下部部分的耐火材料。
2.将外部制备的热金属经由前炉倾倒进入该熔炼容器中，以这样的量使得该金属液位在该前炉连接的顶部之上至少约100mm。
3.任选地将燃料气体(如天然气或LPG)和含氧气体注入金属浴上方的气体空间持续一段时间以在熔炼腔室中产生热量。
4.开始并且此后继续注入煤(优选伴有助熔剂添加)和含氧气体，为了加热金属装料和开始熔渣形成并增加熔渣量的目的。
5.任选地注入粉碎的熔渣和/或造渣剂如硅砂/铝土矿加石灰/白云石助熔剂以进一步加速熔渣形成。
6.开始注入含铁材料如铁矿石(与煤和助熔剂一起)以开始正常的熔炼操作。
本申请人的实践经验已经表明，上述启动程序(如果不仔细控制的话)可以很容易地导致在该熔炼容器的下部部分的水冷的元件(如水冷板)上过高的热通量-典型地大于500kW/m2的热通量。
为了此讨论的目的，术语“下部部件”应理解为是指当该设备是“小型”工业规模(例如HIsmelt 6m容器)时熔炼容器内的所有水冷的元件的底部2-2.5m(竖直方向)中暴露的水冷的元件(当设备在操作时通常涂覆有一层凝固的熔渣)。对于更小的设备(例如HIsarna 2.5m试验设备)此距离将按比例缩小，并且可以是大约1-1.5m。相反地，对于非常大的设备(例如HIsmelt 8m设备)此距离将增加至大约2.5-3m。
“暴露的”水冷的元件在此应理解为是指一种元件：
(i)当该设备正常操作时该元件使其在该容器内部的外表面积的至少30％被熔融金属和/或熔渣飞溅，并且
(ii)该元件通过对流传热至处于液相的水而内部冷却，其中冷却水通常处于10℃至80℃和0至10巴表压的范围内，并且冷却通道中的水流速度超过0.5m/s。
取决于熔炼容器的下部部分的水冷的元件的具体设计，超过500kW/m2的热通量可能使该设备中断(trip)，迫使启动程序暂时中止。水冷的元件可以设计为承受更高的热通量(例如700-800kW/m2)，尽管这趋向于增加元件的成本。用设计为承受超过500kW/m2热通量的水冷的元件，操作的“窗口”是更大的，但相同的总体逻辑适用。
为了本讨论的目的，“500kW/m2”的量应理解为是指容器的下部部分中的水冷的元件的设计最大热通量。强调的是本发明不局限于具有的设计最大热通量为500kW/m2的水冷的元件。这些热通量的测量也应理解为排除短期(<30秒)(测量相关的)波动，其中在此提及的热通量是在30秒或以上过程中进行时间平均的。
如果设备因为热通量超过设计最大热通量而中断，结果是一种延迟，该延迟导致熔炼容器中的金属的未计划的冷却-具体地，前炉连接中的金属的冷却。如果金属冷却超过一个特定点，就变得有必要端塞(end-tap)该容器以避免前炉连接凝固。整个启动因此被中止并且整个启动程序必须重新开始(以显著的成本和损失的生产时间)。
总体上，在该熔炼容器的下部部分中的水冷的元件经受可能的高热通量暴露的过程中的时间受限于建立一个足够深的熔渣层以(显著地)熔渣飞溅和/或熔渣浸没水冷的元件的底部行所需的时间。一旦熔渣飞溅或熔渣浸没，这些水冷的元件形成中等厚度(>10mm)的渣冻层并且热通量降到显著更低的水平(通常<200-250kW/m2)。
以上讨论并不旨在认可以上是澳大利亚及其他地方的公知常识。
披露内容
本发明基于以下认识：(1)在此所述的熔炼容器的下部部分中的水冷的元件的热通量提供了在启动程序的早期部分过程中熔浴温度的指示，以及，(2)利用此信息可以(例如，通过操纵含氧气体和/或煤的注入速率)来控制熔浴温度并通过这个困难的启动阶段，特别是其中在容器中没有足够的熔渣的阶段的部分，在不超过临界热通量水平和不使熔炼工艺的启动程序中断的情况下，安全地“引导”该工艺。
概括地说，本发明提供了一种启动(该术语包括“重新启动”)用于熔炼含金属材料的基于熔浴的工艺的方法，该方法包括使用在熔炼容器的下部部分中的水冷的元件的热通量以提供在该启动方法的至少早期部分过程中熔浴温度的指示，并调节含氧气体和/或含碳材料进入熔炼容器的注入速率以控制在启动过程中的熔浴温度以避免超过临界热通量水平和使该启动方法中断。
在更具体的方面中，本发明提供了一种在限定了一个熔炼腔室的熔炼容器中启动(该术语包括“重新启动”)用于含金属材料的基于熔浴的熔炼工艺并产生熔融金属的方法，其中该方法包括将热金属填料供给到该熔炼腔室，将进料供给到该熔炼腔室并产生热并形成熔渣，并且此后增加在熔炼腔室中的熔渣的量，其中热金属和熔渣在熔炼腔室中形成一个熔浴，监测与该熔浴接触的容器的一个侧壁的热通量以获得随着熔渣量的增加在该熔浴中的温度的指示，并调节固体含碳材料和/或含氧气体以及任选地含金属材料进入熔炼腔室的供给速率以调节进入熔炼腔室的热输入并且从而控制熔浴的温度使得浴温不引起使该熔炼工艺的启动程序中断的容器的侧壁上的高热通量。
在更具体的方面中，本发明提供了一种在熔炼容器中启动用于熔炼含金属材料的基于熔浴的工艺并产生熔融金属的方法，该熔炼容器包括(a)具有一个炉缸和从该炉缸向上延伸的一个侧壁的一个最初为空的熔炼腔室，其中该侧壁至少在该侧壁的下面部分中包括水冷的元件，如水冷板(任选地包括在水冷的元件的最低水平处向内突出的熔渣区冷却器)，(b)一个前炉，以及(c)使该熔炼腔室和该前炉相互连接的一个前炉连接，并且其中该方法包括以下步骤：
(a)将热金属填料经由前炉供给到熔炼腔室；
(b)在完成热金属填料之后将一种固体含碳材料和一种含氧气体供应到熔炼腔室中并点燃该含碳材料并加热该熔炼腔室和热金属并形成熔渣并且此后增加熔渣的量，其中热金属和熔渣在该熔炼腔室中形成熔浴；并且
(c)将含金属材料供给到该熔浴中并将含金属材料熔炼为熔融金属；
并且其中，在步骤(b)和(c)过程中，该方法包括通过以下来控制熔浴的温度：
(i)监测与该熔浴接触的水冷的元件的热通量以获得在该熔浴中的温度的指示，并且
(ii)考虑水冷的元件的热通量来调节该固体含碳材料和/或含氧气体以及任选地含金属材料的供给速率以调节进入熔炼腔室的热输入并由此控制熔浴的温度使得浴温不引起使该熔炼工艺的启动程序中断的水冷的元件中的高热通量。
该方法可包括调节固体含碳材料和含氧气体以及任选地含金属材料进入熔炼腔室的供给速率以调节进入熔炼腔室的热输入并且由此控制熔浴的温度在一个范围内使得(i)随着熔渣的存量积聚避免能够使该设备中断的高热通量和(ii)避免导致熔渣流动性/起泡/传热问题的低浴温。如果这两个条件都满足，金属生产(以显著的量)将较早实现并且来自主腔室的热金属将流入前炉连接。典型地，当在前炉连接中存在“新的”热金属时，该工艺被认为已成功启动。
在具有水冷的元件的熔炼容器的上述讨论的背景下，该暴露的元件表面区域的200-500kW/m2的热通量范围是在前一段落中提及的温度范围的指示。值得注意的是热通量范围的精确数值极限可能经受一系列因素而变化，这些因素包括但不限于不同的熔炉构造和不同的含金属材料和其他进料。
该方法可包括预热熔炼腔室、前炉、以及前炉连接。
该方法可包括预热容器的炉缸、前炉、以及前炉连接使得炉缸、前炉、以及前炉连接的的平均表面温度为高于1000℃。
该方法可包括预热容器的炉缸、前炉、以及前炉连接使得炉缸、前炉、以及前炉连接的的平均表面温度为高于1200℃。
该方法可包括在步骤(a)中供给足够的热金属使得热金属的液位为在前炉连接的顶部上方至少约100mm。
该方法可包括在将热金属填料供给到熔炼腔室之后，将气体或液体燃料(如天然气、LPG或石油)和含氧气体注入金属上方的气体空间持续一段时间以在熔炼腔室中产生热。
该方法可包括在步骤(b)和(c)中将助熔剂材料供给到熔炼腔室中以促进熔渣的形成。
该方法可包括注入熔渣和/或造渣剂如硅砂/铝土矿加石灰/白云石助熔剂以促进熔渣的形成。
该方法可包括在步骤(b)的过程中在任何时间开始将含金属材料供给到熔浴中的步骤(c)。
该基于熔浴的熔炼工艺可以包括以下步骤：
(a)将含碳材料和固体或熔融的含金属材料供给到熔浴中并产生反应气体并熔炼含金属材料并在浴中产生熔融金属，
(b)将含氧气体供给到熔炼腔室中用于从浴释放的可燃气体的浴上(above-bath)燃烧并产生用于浴内(in-bath)熔炼反应的热量；并且
(c)通过上升的气体产生熔融材料从浴的显著向上运动以便产生熔融材料的载热的熔滴或飞溅物，这些熔滴或飞溅物当被投射到在熔炼腔室的顶部空间中的燃烧区时被加热并且此后落回到浴中，由此这些熔滴或飞溅物携带热量向下进入浴中，在那里热量被用于熔炼含金属材料。
本发明提供了一种用于在熔炼容器中熔炼含金属材料的基于熔浴的工艺，该工艺包括启动(该术语包括“重新启动”)该工艺的上述方法。
本发明提供了一种用于在熔炼容器中熔炼含金属材料的HIsmelt工艺，该工艺包括启动(该术语包括“重新启动”)该工艺的上述方法。
本发明提供了一种用于在熔炼容器中熔炼含金属材料的HIsarna工艺，该工艺包括启动(该术语包括“重新启动”)该工艺的上述方法。
该含金属材料可以是任何合适的材料。举例而言，该含金属材料可以是一种含铁材料。
该含碳材料可以是任何合适的材料。例如，该含碳材料可以是煤。
该含氧气体可以包括空气、氧气、或富氧空气。
附图简要说明
参照附图说明了根据本发明在熔炼容器中启动基于熔浴的熔炼工艺的方法的一个实施例，其中：
图1是根据Hismelt工艺用于生产熔融金属的熔炼设备的熔炼容器的截面图，它展示了根据本发明在容器内启动一种熔炼工艺的方法的一个实施例过程中在将熔融金属供给到容器中之后容器内的熔融金属液位；
图2是在图1中所示的熔炼容器的截面图，它展示了根据本发明在容器内启动该熔炼工艺的成功的方法结束时熔炼容器中的熔融金属和熔渣的水平；以及
图3是根据HIsarna工艺用于熔炼含金属材料并产生熔融金属的HIsarna设备的一个实施例的图示。
实施例的详细说明
图1和2以非常概略的和简化的形式展示了根据HIsmelt工艺用于将含金属材料熔炼为熔融金属的熔炼容器。
如上所指出的，该HIsmelt工艺是一种基于熔浴的熔炼工艺的一个实例，该熔炼工艺用于在具有由熔浴中的气体析出产生的强浴/熔渣喷泉的熔炼容器中从含金属的进料生产熔融金属，其中气体析出至少部分地是含碳材料进入熔浴的脱挥发的结果。如上还指出的，该HIsmelt工艺以申请人的名义在相当多的专利和专利申请中进行了描述。举例而言，该HIsmelt工艺是在国际申请PCT/AU96/00197(WO1996/032627)中以申请人的名义进行描述。以国际申请提出的在专利说明书中的披露内容通过交叉引用结合在此。该含金属材料可以是任何合适的材料。含铁材料如铁矿石是申请人特别感兴趣的一种类型的含金属材料。
图1和2展示了在容器内启动该HIsmelt工艺的方法中在不同步骤下的容器。
参照图1和2，该容器限定了一个熔炼腔室并具有带耐火材料衬里的炉缸1、水冷的固体喷枪2、用于含氧气体的水冷的顶部喷枪3、以及水冷的侧壁4。水冷的侧壁4典型地包括一个外部钢壳(未示出)和多个水冷的元件(未示出)，这些水冷的元件处于板的形式、在内侧具有金属水冷管部分并在板的朝向该容器的一侧具有凝固熔渣并且在该水冷管与该外壳之间具有凝固熔渣或可浇注的耐火材料(或组合)。上述国际申请提供了典型的水冷板的进一步细节。该容器还包括一个前炉5，该前炉限定了一个前炉腔室8和一个前炉连接6，该前炉连接包括一个使该熔炼腔室和该前炉腔室相互连接的通道。
熔渣区冷却器7位于炉缸耐火材料的顶部。熔渣区冷却器可以具有任何合适的构造。合适的熔渣区冷却器的一个实例是在国际申请PCT/AU2007/000688(WO2007/134382)中以申请人的名义进行描述。以国际申请提出的在专利说明书中的披露内容通过交叉引用结合在此。
熔渣区冷却器7和在熔渣区冷却器7的正上方的侧壁4的水冷板被认为是在容器的“下部部分”中的水冷板。
在此实施例中，水冷板的最大允许热通量为500kW/m2。如上所指出的，在任何给定的情况下板的最大可允许热通量取决于一系列因素(如不同的熔炉构造和不同的含金属材料和其他进料)并且可以容易地确定。
根据本发明在容器中启动HIsmelt熔炼工艺的方法的一个实施例包括预热容器(包括前炉腔室8和前炉连接6)中的耐火材料的第一步骤。预热温度和时间随许多因素变化，这些因素包括但不限于容器中的耐火材料的类型和量。
当预热步骤完成时，然后将外部制备的热金属(如熔融铁)的填料经由前炉5倒入熔炼腔室中以这样的量使得金属液位是在前炉连接6的顶部上方至少约100mm。此步骤导致如图1中所示的熔炼腔室中的金属存量9。
然后启动在此实施例的情况下处于煤的形式的含碳材料和助熔剂经由喷枪2的注入。同时，启动处于热空气鼓风形式的含氧气体经由喷枪3的注入。这些进料的注入导致熔渣10在热金属填料上的形成。热金属和熔渣在容器中形成熔浴。随着煤、助熔剂以及热空气的注入继续，熔渣的量增加。金属飞溅开始于煤、助熔剂以及热空气的注入，并且在此刻，容器的下部部分中的板在发生金属飞溅的任何地方显示了高热通量-这不必是沿着圆周均匀的，并且此效果可以或多或少集中在注入喷枪的相对侧上的区域中。非均匀性也可能由飞溅图案是不对称的并且来自喷枪3的热燃烧火焰被优先导向低飞溅强度的区域而引起。
如上所指出的，在容器的下部部分中的高热通量因为在容器中的启动方法的程序的中断风险而是一个顾虑。
如上所指出的，申请人已经发现(1)在容器的下部部分中的板的热通量提供了熔浴温度的指示，特别是当在容器中存在少量的熔渣时，并且，(2)使用此信息可以通过操纵煤和/或热空气的注入速率来控制熔浴温度并避免超过临界通量水平和使启动方法中断，导致停机。在此实施例中，临界热通量水平是500kW/m2。在容器的下部部分中的水冷板中的热通量可以通过监测用于水冷板的入口和出口水温和流速并基于此数据进行热通量计算来确定。可以监测所有的水冷板。可替代地，可以监测选定的水冷板。这些选定的水冷板可以是在容器的已知高度易于飞溅(导致在这些部分中的高热通量)的部分中。可替代地，选定的水冷板可以是在容器的下部部分中的总热通量的代表并且该数据可以用作用于在容器的下部部分中的所有水冷板的热通量计算的基础。热通量监测可以是连续的或周期性的。
在煤、助熔剂以及热空气的注入期间，如果热通量计算表明热通量增加至不可接受的高量或朝向不可接受的高量增加，根据需要调整进料注入条件以减少在容器的下部部分中所产生的热。典型地，这包括降低煤和/或热空气的注入流速。
将用热空气注入煤和助熔剂的这段时间保持大约30-60分钟并且典型地，在此期间，热通量通常增加。
一旦在容器的下部部分中的热通量总体上高于200kW/m2，开始含金属材料，如铁矿石的注入。在此期间继续热通量监测。继续调节煤和热鼓风速率以保持最高热通量低于500kW/m2，同时缓慢增加矿石注入速率。
最初，启动方法的这一阶段是敏感的并且如果，例如，煤和/或含金属材料的进料速率经历任何类型的流动干扰，热通量可以出现“毛刺”。此种干扰是可能的，因为含金属材料进料(具体地)是在其标称设计速率的一个小的百分比下并且固体进料装置在此种条件下经常经历在保持平稳流动方面的困难。
在接下来的1-3小时内熔渣存量增加，并且，作为结果，该工艺慢慢变得对高热通量毛刺较不敏感。因为飞溅物的性质从主要地金属改变为金属和熔渣的混合物，并从金属和熔渣的混合物最终改变为主要地熔渣，在容器的下部部分中的板变得与在板的暴露表面上的凝固熔渣隔绝并且热通量下降。在这个阶段，热通量监测较不重要。一旦在容器中已经建立为约0.8-1.5m(取决于容器的大小)的(计算的)熔渣水平，下部板热通量有可能已经降至低于200kW/m2并且该工艺被认为已经安全地通过该启动方法。此条件在图2中示出，其展示了在适当的位置具有熔渣层10的容器。
如上所述，根据本发明启动基于熔浴的直接熔炼工艺的方法适用于HIsmelt和HIsarna工艺，以及其他基于熔浴的直接熔炼工艺。
参考图3，HIsarna工艺熔炼含金属进料并且产生熔融金属、熔渣、以及废气的工艺输出。该HIsarna工艺的以下说明是在熔炼处于铁矿石形式的含金属材料的背景下。本发明并不限于这种类型的含金属材料。
在图3中所示的HIsarna设备包括熔炼旋流器2和参照图1和2所述的类型的、具有直接位于熔炼旋流器2下方的熔炼腔室19的、基于熔浴的熔炼容器4，其中熔炼旋流器2和熔炼容器4的腔室之间直接连通。
参照图3，在熔炼过程的稳态操作过程中，经由矿石干燥器，并用气动输送气体1a，将具有的最大尺寸为6mm的基于磁铁矿的矿石(或其他铁矿石)和助熔剂如石灰石1进料到熔炼旋流器2中。石灰石表示大约0.8-10wt％的矿石和石灰石的混合流。氧气8经由鼓风口被注入该熔炼旋流器2中以将该矿石预热和部分熔化和部分还原。氧气8还燃烧已经从熔炼容器4向上流入熔炼旋流器2的可燃气体。部分熔化的且部分还原的矿石从熔炼旋流器2向下流入在熔炼容器4的熔炼腔室19中的金属和熔渣的熔浴25。熔炼部分熔化的且部分还原的矿石以在熔浴25中形成熔融铁。煤3经由一个分离的干燥机进料至该熔炼容器4的熔炼腔室19。煤3和输送气体2a经由喷枪35被注入熔炼腔室19中的金属和熔渣的熔浴25中。煤提供了还原剂的来源和能量的来源。图3展示了如包括两层的熔浴25，其中层25a是熔融金属层且层25b是熔渣层。该图展示了均匀深度的层。这仅用于说明目的而不是在HIsarna工艺的操作中将是高度搅拌的且充分混合的浴的精确表示。熔浴25的混合是由于浴中的煤的脱挥发，其产生气体(如CO和H2)，并导致气体和夹带的材料从熔浴向上移动进入在熔浴25上方的熔炼腔室19的顶部空间。氧气7经由喷枪37注入熔炼腔室19以使在熔浴25中产生并从熔浴25释放的这些气体(典型地CO和H2)的一些在熔炼腔室19的顶部空间中后燃烧并提供用于在浴中的熔炼工艺的必要热量。
启动之后，在熔炼过程中HIsarna工艺的正常操作包括：(a)向熔炼容器4的熔炼腔室19中的经由喷枪35的煤注入和经由喷枪37的冷氧气注入和(b)向熔炼旋流器2中的矿石注入7和附加的氧气注入8。
这些操作条件，包括但不限于，煤和氧气进入熔炼容器4的熔炼腔室19的进给速率以及矿石和氧气进入熔炼旋流器2的进给速率以及从熔炼腔室19的热量损失，被选择为使得经由一个废气出口管道9离开该熔炼旋流器2的废气具有至少90％的后燃烧程度。
来自该熔炼旋流器2的废气经由一个废气管道9进入一个废气焚烧炉10，其中注入额外的氧气11以燃烧残留的CO/H2并在完全燃烧的烟气中提供一定程度的游离氧(典型地为1％-2％)。
完全燃烧的废气然后通过一个废热回收区段12，其中该气体被冷却且产生蒸汽。烟气然后通过一个湿式洗涤器13，在该湿式洗涤器中实现冷却和除尘。所得到的污泥14可供用于经由该矿石进给流1循环至该熔炉。
离开该洗涤器13的冷烟气被进料至一个烟气脱硫单元15。
然后将干净的烟气经由一个烟囱16排出。该气体主要由CO2组成，并且如果合适的话，它可以被压缩和地质埋存(适当去除残留的不可凝结的气体种类)。
该熔炼容器4包括主要由限定了熔炼腔室19的处于水冷板的形式的水冷的元件限定的带耐火材料衬里的炉缸33和侧壁41。该熔炼容器4还包括一个经由前炉连接23连接到熔炼腔室19的前炉21。如上所指出，该熔炼容器4是参照图1和2中描述的类型。此外，根据本发明如参照图1和2所描述的在一个容器中启动HIsmelt熔炼工艺的方法的实施例可以用于在容器4中启动该熔炼工艺。
在HIsarna工艺的熔炼过程期间，熔炼腔室19中生产的熔融金属经由前炉连接23和前炉21从该熔炼腔室19中排出。在稳态正常操作条件下，前炉21和前炉连接23含有熔融金属。正常压力计溢流系统经由(来自生产的)溢出前炉唇部5的“过量”金属起作用以保持在熔炼腔室19中的熔融金属的液位基本上恒定。
在不脱离本发明的精神和范围内，可对上述本发明的方法的实施例进行多种修改。
举例而言，虽然在图中所示的熔炼容器包括一个前炉，应注意的是本发明的工艺启动方法并不局限于包括前炉的容器。
此外，虽然在图中所示的熔炼容器包括水冷的元件，这些水冷的元件包括侧壁4的水冷板和在该炉缸的顶部的熔渣区冷却器7，应注意的是本发明的工艺启动方法并不局限于包括这些元件的容器。这些熔炼容器的侧壁可以是任何合适的构造，由此来自与熔浴接触的容器的侧壁的热通量提供了熔浴的温度的指示。
此外，虽然这些实施例集中于熔炼处于含铁材料的形式的含金属材料，应注意的是本发明延伸到熔炼其他材料。

Claims (12)

1.一种在限定熔炼腔室的熔炼容器中启动用于含金属材料的基于熔浴的熔炼工艺并产生熔融金属的方法，其中该方法包括将热金属填料供给到该熔炼腔室中，将包含固体含碳材料和含氧气体的进料供给到该熔炼腔室中并产生热并形成熔渣，并且此后增加在该熔炼腔室中的熔渣的量，其中热金属和熔渣在该熔炼腔室中形成一个熔浴，监测与该熔浴接触的该容器的一个侧壁的热通量以获得随着熔渣的量增加时在该熔浴中的温度的指示，并调节固体含碳材料和/或含氧气体进入该熔炼腔室的供给速率以调节进入该熔炼腔室的热输入并且从而控制该熔浴的温度使得浴温不引起使该熔炼工艺的启动程序中断的、在侧壁中的高热通量，并且将一种含金属材料供给到该熔浴并将含金属材料熔炼为熔融金属。
2.一种在熔炼容器中启动用于熔炼含金属材料的基于熔浴的工艺并产生熔融金属的方法，该熔炼容器包括(a)具有一个炉缸和从该炉缸向上延伸的一个侧壁的、最初为空的熔炼腔室，其中该侧壁至少在该侧壁的下部部分包括水冷的元件，(b)一个前炉，以及(c)使该熔炼腔室和该前炉相互连接的一个前炉连接，其中该方法包括以下步骤：
(a)将热金属填料经由该前炉供给到该熔炼腔室，其中该熔炼腔室最初为空的；
(b)在完成热金属填料之后将一种固体含碳材料和一种含氧气体供应到该熔炼腔室中并点燃该含碳材料并加热该熔炼腔室和热金属并形成熔渣并且此后增加熔渣的量，其中该热金属和该熔渣在该熔炼腔室中形成熔浴；
(c)将一种含金属材料供给到该熔浴中并将含金属材料熔炼为熔融金属；
并且其中，在步骤(b)过程中，该方法包括通过以下方式来控制在该熔浴中的温度：
(i)监测与该熔浴接触的水冷的元件的热通量以获得在该熔浴中的温度的指示，
(ii)考虑水冷的元件的热通量来调节该固体含碳材料和/或含氧气体的供给速率以调节进入该熔炼腔室中的热输入并由此控制该熔浴的温度，使得浴温不引起使该熔炼工艺的启动程序中断的、水冷的元件的高热通量。
3.如权利要求2所定义的方法，该方法包括预热该熔炼腔室、前炉、以及前炉连接。
4.如权利要求2所定义的方法，该方法包括预热该容器的炉缸、前炉、以及前炉连接，使得该炉缸、前炉、以及前炉连接的平均表面温度为高于1000℃。
5.如权利要求2所定义的方法，该方法包括预热该容器的炉缸、前炉、以及前炉连接，使得该炉缸、前炉、以及前炉连接的平均表面温度为高于1200℃。
6.如权利要求2至5中任一项所定义的方法，其中步骤(a)包括供给足够的热金属，使得该热金属的液位为在该前炉连接的顶部上方至少100mm。
7.如权利要求2至5中任一项所定义的方法，该方法包括在完成热金属进入该熔炼腔室之后，将一种气体或液体燃料和一种含氧气体注入该金属上方的气体空间持续一段时间，以在该熔炼腔室中产生热。
8.如权利要求2至5中任一项所定义的方法，其中步骤(b)包括将助熔剂材料供给到该熔炼腔室中以促进熔渣形成。
9.如权利要求2至5中任一项所定义的方法，该方法包括注入熔渣和/或造渣剂以促进该熔浴中的熔渣形成。
10.如权利要求2至5中任一项所定义的方法，该方法包括在步骤(b)的过程中在任何时间开始将该含金属材料供给到该熔浴中的步骤(c)。
11.如权利要求2至5中任一项所定义的方法，其中该基于熔浴的熔炼工艺包括以下步骤：
(a)将含碳材料和固体或熔融的含金属材料供给到该熔浴中并产生反应气体并熔炼含金属材料并在该浴中产生熔融金属，
(b)将含氧气体供给到该熔炼腔室中，用于从该浴释放的可燃气体的浴上燃烧并产生用于浴内熔炼反应的热量；并且
(c)通过上升的气体产生熔融材料从该浴的显著向上运动以便产生熔融材料的载热的熔滴和飞溅物，这些熔滴和飞溅物当被投射到在该熔炼腔室的顶部空间中的燃烧区中时被加热并且此后落回到该浴中，由此这些熔滴和飞溅物携带热量向下进入该浴中，在该浴中热量被用于熔炼该含金属材料。
12.一种启动用于熔炼含金属材料的基于熔浴的工艺的方法，该方法包括使用在一个熔炼容器的下部部分的水冷的元件的热通量以提供在该启动方法的至少早期部分过程中熔浴温度的指示，以及调节含氧气体和/或含碳材料进入该熔炼容器的注入速率以控制在启动过程中的该熔浴温度以避免超过临界热通量水平和使该启动方法中断。
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